[论文解读] Search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into third-generation quarks and first- or second-generation leptons in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下采集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索了衰变为第三代夸克与第一或第二代轻子的成对产生标量和矢量轻子偶素。未观测到与标准模型显著偏离的信号，因此对产生截面设定了上限，并对两种旨在解释B-衰变异常的矢量轻子偶素模型，分别设定了1980 GeV和1710 GeV的轻子偶素质量下限。

ABSTRACT

A search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into quarks and leptons of different generations is presented. It uses the full LHC Run 2 (2015-2018) data set of 139 fb$^{-1}$ collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV. Scalar leptoquarks with charge -(1/3)e as well as scalar and vector leptoquarks with charge +(2/3)e are considered. All possible decays of the pair-produced leptoquarks into quarks of the third generation (t, b) and charged or neutral leptons of the first or second generation ($e, \mu, u$) with exactly one electron or muon in the final state are investigated. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section are provided for eight models as a function of the leptoquark mass and the branching ratio of the leptoquark into the charged or neutral lepton. In addition, lower limits on the leptoquark masses are derived for all models across a range of branching ratios. Two of these models have the goal of providing an explanation for the recent B-anomalies. In both models, a vector leptoquark decays into charged and neutral leptons of the second generation with a similar branching fraction. Lower limits of 1980 GeV and 1710 GeV are set on the leptoquark mass for these two models.

研究动机与目标

• 搜索与第三代夸克及第一或第二代轻子耦合的成对产生标量和矢量轻子偶素，动机源于B介子衰变中的异常现象。
• 检验轻子偶素可能解释观测到的B-异常和μ子g-2偏差的模型。
• 通过使用单轻子末态（具有高缺失横向动量和多个喷注）提高中等至小分支比区域的灵敏度。
• 推导出八种不同模型中轻子偶素产生截面的模型无关上限以及轻子偶素质量的下限。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹ Run 2 LHC数据。
• 事件选择聚焦于包含一个电子或μ子、高缺失横向动量以及至少四个喷注（包括来自强子顶衰变的b-夸克喷注）的末态。
• 训练专用神经网络以分离信号与背景，由于在低分支比下标量与矢量轻子偶素的动力学行为不同，因此对两类模型分别进行训练。
• 基于神经网络输出定义信号区域，同时使用控制区域验证背景估计的准确性。
• 评估了喷注能量标度、轻子重建以及缺失横向动量等在内的系统性不确定性。
• 使用Profile-likelihood比值检验进行统计解释，以设定截面的上限并推导出轻子偶素质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子碰撞数据中，能否观测到衰变为第三代夸克与第一或第二代轻子的成对产生轻子偶素？
• RQ2 观测数据是否支持存在可解释B-异常和μ子g-2偏差的矢量轻子偶素？
• RQ3 在不同模型和分支比下，轻子偶素产生截面的上限是多少？
• RQ4 旨在解释B-异常的模型中，轻子偶素质量的下限是多少？
• RQ5 在具有高缺失横向动量的单轻子末态中，神经网络在分离信号与背景方面的有效性如何？

主要发现

• 在所研究的所有信号区域中，均未观测到与标准模型预期有显著偏离的信号。
• 针对八种不同模型，提供了作为轻子偶素质量与衰变为带电或中性轻子分支比函数的轻子偶素产生截面的上限。
• 对于两种旨在解释B-异常的矢量轻子偶素模型，分别设定了1980 GeV和1710 GeV的轻子偶素质量下限。
• 与以往的双轻子末态搜索相比，本分析在中等至小分支比区域实现了更高的灵敏度。
• 结果与标准模型一致，并对旨在解释B-异常和μ子g-2偏差的轻子偶素模型施加了约束。
• 本研究为具有顶夸克衰变的单轻子末态中成对产生轻子偶素提供了迄今为止最严格的限制。